EP2019482B1 - System zur Lage- und Geschwindigkeitsermittlung bei einem Permanentmagnet-Läufer einer elektrischen Maschine - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Antriebs-Geschwindigkeit und -Lage eines Permanentmagnet-Läufers einer elektrischen bürstenlosen Maschine. Dieses Verfahren ist insbesondere zum Einsatz in einen Antriebsregelkreis geeignet. Für das Verfahren werden mehrphasige Strommessungen an der Maschine verwendet, deren Messwerte in Abhängigkeit von der ermittelten Lage in ein rotorbezogenes d,q-Koordinatensystem zu einer Längsstrom-Vektorkomponente und einer Querstrom-Vektorkomponente transformiert werden. Zusammen mit der ermittelten (elektrischen) Drehzahl werden die Längs- und Quervektorkompenten vom Strom und einer vorgegebenen Spannung als Eingangsvariable einem mathematischen Modell von der elektrischen Maschine zugeführt. Das Maschinenmodell generiert eine erste Ausgangsvariable und eine zweite Ausgangsvariable, wobei die erste Ausgangsvariable im d,q-Koordinatensystem der d- bzw. Längsvektorkomponente sowie eines Lageermittlungsfehlers und die zweite Ausgangsvariable im d,q-Koordinatensystem der q- bzw. Querkomponente sowie einem Geschwindigkeitsermittlungsfehler entsprechen. Die beiden Ausgangsvariablen werden einem Nachführregler zu Ermittlung und Ausgabe der Geschwindigkeit, insbesondere elektrischen Drehzahl, und der Lage, insbesondere des elektrischen Winkels zugeführt. Die Erfindung betrifft ferner zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Lage- und/oder Geschwindigkeits-Ermittlungseinrichtung, Maschinen-Modellierungsmodul und Geschwindigkeits-Nachführregler gemäß den jeweiligen ersten Teilen/Oberbegriffen der nebengeordneten, unabhängigen Ansprüche 8, 12 und 15.
• Zur Ermittlung der Lage und Geschwindigkeit des Permanentmagnet-Läufers bei einem elektrischen, bürstenlosen Antriebsmotor wird in der AT-Fachzeitschrift "Elektrotechnik und Informationstechnik" Nr. 2/2000 "Geregelte Antriebe", auf Seiten 103-112 von M. Schrödl und E. Robeischl gelehrt, für höhere Drehzahlen (im Bereich über etwa 10 % bis 20 % der Nenndrehzahl) über ein EMK-Modell/Spannungsmodell der Permanentmagnet-Synchronmaschine die beispielsweise für eine Antriebsregelung nötige Lage- und Drehzahlinformation in Echtzeit aus elektrischen Größen zu bestimmen. Die Läuferlageschätzung soll aufgrund der induzierten Spannung in der Statorwicklung durchgeführt werden, was die Stromregelung nicht beeinflusst. Der Grundgedanke dabei ist, die Änderung des Statorfluss-Verkettungsraumzeigers messtechnisch zu bestimmen. Durch Messung des Stromverlaufs wird die Änderung des Permanentmagnetfluss-Raumzeigers aus dem Permanentmagnet-Läufer ermittelt.
• US 2005/0 029 972 A1 beschreibt eine vektorielle, feldorientierte Antriebsregelung für einen permanentmagneterregten, bürstenlosen Gleichstrommotor. Die Antriebsregelung umfasst folgendes: einen Winkelfehlerrechner zur Berechnung eines Sinus- und Kosinus-Werts einer Winkeldifferenz zwischen einer geschätzten Winkellage und der tatsächlichen Winkellage. Dies basiert auf einer Phasenspannungsdifferenz mehrerer Phasen am Eingang der Statorwindungen und auf den Phasenströmen einer Mehrzahl von Phasen. Ferner umfasst die Antriebsregelung einen Beobachter zur Berechnung des Lagewinkels auf der Basis des Sinus- und Kosinus-Werts der Winkeldifferenz.
• Diese US 2005/0 029 972 A1 offenbart zur Realisierung der soeben genannten, regelungstechnischen Gesichtspunkte ferner eine erste Ausführungsform mit mehreren Abwandlungen und eine zweite Ausführungsform mit mehreren Abwandlungen, die jeweils eine Funktionseinheit zur Berechnung eines Motormodells verwenden. Beim Motormodell der ersten Ausführungsform werden die dynamischen Spannungsabfälle an den Stator-Induktivitäten, welche in der Fachwelt durch so genannte Ldi/dt-Terme berücksichtigt werden, vernachlässigt bzw. weggelassen. Dies mindert allerdings die Genauigkeit. Beim Motormodell der zweiten Ausführungsform sind diese Terme bzw. die entsprechenden zeitlichen Differenzierungen der Ströme explizit enthalten. Neben dem dadurch verursachten, zusätzlichen Rechenaufwand resultiert noch der weitere Nachteil, dass durch die der zeitlichen Ableitungen innewohnende Hochpass-Charakteristik die Störfestigkeit beeinträchtigt bzw. kurzzeitige Störungen sogar verstärkt werden. Allen Ausführungsformen bzw. -varianten ist gemeinsam, dass der Ausgang des Motormodells mit dem Eingang einer so genannten Normalisierungseinheit verbunden ist, welche zur Berechnung eines Näherungswerts für eine Winkeldifferenz ausgebildet ist, und zwar stets über eine Divisions-Rechenoperation im Zusammenhang mit einer Vektorkomponente der induzierten Spannung, wie sie im Motormodell berechnet ist. Derartige Divisions-Rechenoperationen verbrauchen Rechenzeit, sind aufwendig zu implementieren und vermindern die Rechengenauigkeit.
• Ein System zur Ermittlung der Antriebs-Lage und/oder Geschwindigkeit bei einer elektrischen, bürstenlosen Maschine, insbesondere Synchronmotor, mit Permanentmagnet-Läufer etwa der anfangs im ersten Absatz genannten Art ist bekannt, vgl. Fachartikel von S. M. Abu-Sharkh, V. Barinberg "A new approach to rotor position estimation for a PM brushless motor drive", Mediterranean Electrotechnical Conf. 1998, Seiten 1199-1203. Danach erfolgt die Läuferlage- und/oder Geschwindigkeitsschätzung ebenfalls nach dem EMK- /Spannungsmodell der elektrischen Maschine. Die dafür an sich notwendige, in der Praxis aber problematische Differenziation/zeitliche Ableitung von Stromsignalen wird durch die Verwendung parameterabhängiger Tiefpassfilter vermieden, deren zeitverzögernde Wirkung von einem nachgeordneten Proportional- und Integral-Nachführregler (PI-Nachführregler) kompensiert wird. Die Zeitkonstante der Tiefpass-Filter entspricht der Stator-Zeitkonstante der elektrischen Maschine. Mit den Tiefpassfiltern werden die Lage- und Geschwindigkeitsermittlungsfehler gewichtet.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dem gegenüber das Antriebs-Lage- und Antriebs-Geschwindigkeits-Ermittlungssystem in seinem strukturellen Aufbau zu vereinfachen. Zur Lösung wird auf das im Anspruch 1 angegebene Ermittlungsverfahren, auf die im Anspruch 8 angegebene Ermittlungseinrichtung, auf das im Anspruch 12 angegebene Maschinen-Modellierungsmodul sowie auf den im Anspruch 15 angegebenen Nachführregler verwiesen. Optionale, vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
• Zwar arbeitet gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren das Maschinenmodell noch mit der Ausgabe einer dritten Abweichungsvariablen an den Nachführregler; jedoch wird dabei die dritte Ausgangsvariable über einfach zu realisierende Rechenschritte erzeugt, die lediglich Gewichtungen durch Proportionalglieder mit Induktivitäts-Festwerten und Summierungen/Differenzbildungen umfassen und mithin mit rechentechnisch einfachen und schnell ablaufenden Funktionskomponenten wie P-Glieder und Summierstellen zu realisieren sind. Mithin lässt sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren der Vorteil einer Effizienzsteigerung erzielen, zumal weder eine zeitliche Differenzierung von Strömen noch zusätzliche phasenverbrauchende Filter wie z. B. die oben beim Stand der Technik verwendeten Tiefpass-Filter notwendig sind.
• Zweckmäßig werden im Rahmen des Maschinenmodells die beiden Wichtungsergebnisse (Strom-Längskomponente gewichtet mit Längsinduktivität und Strom-Querkomponente gewichtet mit Querinduktivität) entsprechend einer maschinenspezifischen EMK-Konstante oder einer Zeitkonstante modifiziert. Mit besonderem Vorteil wird dann im Nachführregler eine Integration mit den genannten Konstanten als Integrationsparameter über eine Differenz durchgeführt, die zwischen dem Lage- und dem Geschwindigkeitsermittlungsfehler ("Lageabweichung" beziehungsweise "Geschwindigkeitsabweichung") bzw. den entsprechenden Längs- und Querkomponenten der Spannungsabweichung gebildet ist.
• In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird die dem Nachführregler zugeführte dritte Ausgangsvariable mit einem Integrationsergebnis über eine Differenz summiert oder sonst wie verknüpft, welche Differenz aus dem Unterschied zwischen des Lageermittlungsfehlers und des Geschwindigkeitsermittlungsfehlers gebildet wird. Gegebenenfalls ist der Lageermittlungsfehler vorher noch proportional verstärkt worden. Das Verknüpfungsergebnis kann dann aus dem Nachführregler als ermittelte Geschwindigkeit ausgegeben werden. Es wird der Vorteil einer Vereinfachung der Struktur des Nachführreglers erzielt, indem gegenüber reinen Integriergliedern komplexere Proportional- und Integralglieder vermieden sind.
• Da gemäß einer Erfindungsvariante bei der Zuführung der dritten Ausgangsvariablen in den Nachführregler sowohl das dortige Proportionalglied (interpretierbar als "Lageregler") als auch ein reines erstes Integrationsglied ohne Proportionalanteil (interpretierbar als "Geschwindigkeitsregler") über eine diesen nachgeordnete Summierstelle übersprungen werden, ist es zweckmäßig, die (übersprungene) Proportionalverstärkung bereits im Maschinenmodell bei der Bildung der dritten Ausgangsvariablen zur Auswirkung zu bringen. Dies lässt sich realisieren, indem die Strom-Längsvektorkomponente nach Einführung in das Maschinenmodell darin mit dieser Proportionalverstärkung bzw. -faktor gewichtet wird.
• Weitere Einzelheiten, Merkmale, Merkmalskombinationen, Vorteile und Wirkungen auf der Basis der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung sowie aus den Zeichnungen. Diese zeigen in jeweils schematischer Blockschaltbild-Darstellung in
• Figur 1 und als gedanklicher Ausgangspunkt einen Antriebsregelkreis mit einem Motormodell und nach geschaltetem, erfindungsgemäßen Nachführregler, wobei zum besseren Verständnis der Erfindung das Maschinenmodell noch die nachteiligen direkten zeitlichen Ableitungen von Strömen enthält;
• Figur 2 einen Antriebsregelkreis mit erfindungsgemäß ausgebildeten Motormodell und entsprechend angepassten Nachführregler.
• Gemäß Figur 1 ist der Stator 1 einer bürstenlosen elektrischen Maschine, beispielsweise eines Synchronmotors mit Permanentmagnet-Läufer, von einem auf der Basis von Pulsweitenmodulation (PWM) arbeitenden Umrichter 2 mit einem dreiphasigen Drehstrom betrieben. Für eine Stromregelung werden vom Stator die beiden Phasenströme i₁, i₂ abgegriffen bzw. gemessen, welche in einer 3-zu-2 Phasen-Transformationseinheit 3 auf ein statorbezogenes, orthogonales α, β-Koordinatensystem abgebildet werden. Im Zuge der Transformation werden zwei den Statorstrom repräsentierende α, β Vektorkomponenten i_α, i_β erzeugt und an eine zweite, nachgeordnete Koordinaten-Transformationseinheit 4 ausgegeben. Diese ist dazu ausgebildet, eine Koordinatentransformation vom statorbezogenen α,β-Koordinatensystem zum rotorbezogenen d,q-Koordinatensystem mit der Ausgabe der Strom-Längs- und Quervektorkomponenten i_d, iq vorzunehmen. Die Längs- und Quervektorkomponenten i_d, iq vom Statorstrom werden als Istwerte den Längsstrom- und Querstromreglern I_d, I_q zum Soll-/Istwert-Vergleich mit entsprechenden Längs- und Querstrom-Sollwerten i_dsoll, i_qsoll zugeführt. Wie an sich in der Fachwelt üblich, wird die Längsstrom-Sollwertvorgabe i_dsoll auf Null gesetzt, während der Querstromregler die Sollwertvorgabe I_qsoll von einem vorgeordneten Geschwindigkeitsregler 5 empfängt. Dieser geht von einem Vergleich eines Drehzahlsollwerts ω_soll mit dem von einem Nachführregler 6 ausgegebenen Schätz- bzw. Ermittlungswert für eine elektrische Drehzahl ω_em aus. Aus dem Nachführregler 6 wird ferner ein ermittelter elektrischer Winkel ϕ_em ausgegeben und der zweiten Transformationseinheit 4 sowie einer zu dieser komplementären dritten Transformationseinheit 7 zugeführt. Die dritte Transformationseinheit 7 empfängt ferner die von den Stromreglern I_d, I_q vorgegebenen Längs- und Querspannungs-Vektorkomponenten u_g, u_q und bildet diese in das statorbezogene α, β-Koordinatensystem mit den vorgegebenen Spannungsvektorkomponenten u_α, u_β ab. Letztere Spannungsvektorkomponenten werden von einer nachgeordneten, 2-zu-3 Phasen Transformationseinheit 8 empfangen, welche die Spannungsvorgabe in drei dem Drehstromsystem entsprechende Phasen u₁, u₂, u₃ für den nachgeordneten Umrichter 2 umsetzt.
• Gemäß Figur 1 ist dem Nachführregler 6 ein Motor-Modellierungsmodul 9 vorgeordnet. Dieses weist Eingangsschnittstellen 10 für die ermittelte Drehzahl ω_em, 11 für die gemessenen und in das d,q-Koordinatensystem abgebildeten Längs- bzw. Querströme i_d, iq und 12 für die im d,q-Koordinatensystem vorgegebenen Längs- und Querspannungen u_d, u_q auf. Ferner weist das Modellierungsmodul 9 eine erste Ausgangsschnittstelle 13 für die Längsspannungsabweichung Δu_d und eine zweite Ausgangsschnittstelle 14 für die Querspannungsabweichung Δu_q auf.
• Gemäß Figur 1 wird die über die Drehzahl-Eingangsschnittstellen 10 dem Motormodell 9 zugeführte, ermittelte Drehzahl ω_em mit mehreren separaten Proportionalgliedern gewichtet, deren Verstärkungen der EMK-Konstante K_E, der Motor-Längsinduktivität L_d und der Motor-Querinduktivität Lq entsprechen. Ferner wird die eingegebene Drehzahl ω_em noch mit einem Signumsglied 15 gewichtet. Die Ausgänge der Induktivitäts-Proportionalglieder L_d, Lq sind jeweils mit einem eigens zugeordneten Multiplizierglied M_d, Mq verbunden. Die zweiten Eingänge der Multiplizierglieder M_d, Mq sind jeweils mit der entsprechenden der beiden Strom-Eingangsschnittstellen 11 für Längs- bzw. Querstrom i_d, iq verbunden. Die jeweiligen Ausgänge der Multiplizierglieder M_d, Mq sind Längsspannungs- bzw. Querspannungs-Summiergliedern S_d, Sq jeweils mit positivem Vorzeichen zugeführt. Einem jeweils zweiten Eingang der Längs- bzw. Quer-Spannungssummierglieder S_d, Sq sind über die Spannungs-Eingangsschnittstellen 12 die Längs- bzw. Querspannungsvorgaben u_d, u_q auch mit jeweils positivem Vorzeichen zugeführt. Die beiden SpannungsSummierglieder S_d, Sq besitzen jeweils noch einen zusätzlichen Negativ-Eingang (mit jeweils negativem Vorzeichen), denen ein jeweiliger Ausgang zweier vorgeordneter Spannungs-Vorsummierglieder VS_d bzw. VSq für die Summation von ohmschen und induktiven Längs- bzw. Querspannungs-Zwischenwerten zugeordnet ist, die aus den über die Strom-Eingangsschnittstellen 11 zugeführten Längs- und Querströme erzeugt werden. Zu dieser Erzeugung dienen einerseits je ein Proportionalglied mit der dem ohmschen Motorwiderstand entsprechenden Verstärkung r. Andererseits werden, wie von der Motorphysik gefordert, die induktiven Elemente bzw. die Längs- und Querinduktivität L_d, Lq, über jeweilige Differenzierglieder sL_d und sLq (s: differenzierender Laplace-Operator) mit in die Berechnung der Spannungszwischenwerte eingebracht. Die Eingänge der jeweiligen Proportionalglieder r und Differenzierglieder sL_d, sLq sind dazu mit den jeweiligen Strom-Eingangsschnittstellen 11 verbunden. Die Ausgänge der jeweiligen Proportionalglieder r und der jeweiligen Differenzierglieder sL_d bzw. sLq sind dann mit den jeweiligen Eingängen positiven Vorzeichens der Vorsummierglieder VS_d, VSq verbunden.
• Gemäß Figur 1 ist das Signumsglied 15 eingangsseitig mit der Drehzahl-Eingangsschnittstelle 10 und ausgangsseitig mit dem ersten Eingang eines Vorzeichen-Multipliziergliedes SM_d verbunden. Dessen zweiter Eingang kommuniziert mit dem Ausgang des Längsspannungs-Summiergliedes S_d, und der Ausgang des Vorzeichen-Multipliziergliedes SM_d steht mit der ersten Ausgangsschnittstelle 13 für die Längsvektorkomponente Δu_d der Spannungsabweichung in Verbindung. Dadurch lässt sich die Richtung des Läufers der elektrischen Maschine in die Berechnung des Lageermittlungsfehlers mit einbeziehen.
• Gemäß Figur 1 fließt bei der Berechnung des Geschwindigkeitsermittlungsfehlers in Form der Quervektorkomponente Δu_q der Spannungsabweichung noch die EMK-Motorkonstante über ein mit entsprechender Verstärkung dimensioniertes Proportionalglied 16 mit ein. Das EMK-Proportionalglied ist dazu eingangsseitig mit der Drehzahl-Eingangsschnittstelle 10 verbunden. Ausgangsseitig ist das EMK-Proportionalglied 16 mit dem Minus-Eingang eines EMK-Summierglieds 17 verbunden, dessen Plus-Eingang mit dem Ausgang des Querspannungs-Summierglieds Sq kommuniziert. Der Ausgang des EMK-Summierglieds 17 geht direkt auf die zweite bzw. Querspannungsabweichungs-Ausgangsschnittstelle 14 des Modellierungsmoduls zur Ausgabe des Geschwindigkeitsermittlungsfehlers an den nachgeordneten Nachführregler 6.
• Gemäß Figur 1 besitzt der Nachführregler zwei Eingangsschnittstellen 18, 19 für die Längs- und Quervektorkomponenten Δu_d, Δu_q der im Modellierungsmodul 9 berechneten Spannungsabweichung. Die Längsvektorkomponente entspricht des Lageermittlungsfehlers, und die Quervektorkomponente dem Geschwindigkeitsermittlungsfehler. Die Eingangsschnittstelle 18 für die Längsspannungsabweichung Δu_d ist direkt einem Proportionalglied 20 zugeführt, welches mit der Proportionalverstärkung kp dimensioniert ist und ausgangsseitig mit dem Minus-Eingang eines ersten Nachführ-Summierglieds 21 verbunden ist. Dessen Plus-Eingang ist intern im Nachführ-Regler 6 direkt mit der Eingangsschnittstelle für die Querspannungsabweichung Δu_q verbunden. Das Summierergebnis wird ausgangsseitig einem ersten Integrationsglied 22 zugeführt, das erfindungsgemäß ohne Proportionalanteil ausgeführt und auf der Basis der EMK-Konstante K_E und einer Zeitkonstante T_ω bemessen ist. An dessen Ausgang entsteht per Integration der Differenz der Längs- und Querspannungsabweichung über die Zeit die ermittelte Antriebs-Winkelgeschwindigkeit bzw. Drehzahl ω_em, welche über eine erste Nachführregler-Ausgangsschnittstelle 23 sowohl dem Maschinen-Modellierungsmodul 9 als auch dem Geschwindigkeitsregler 5 gleichsam als Istwert bzw. zum Vergleich mit einem Geschwindigkeitssollwert ω_soll und zur Berechnung eines Vorgabe-Querstromwerts i_qsoll zu geführt wird. Ferner wird intern im Nachführregler 6 die ermittelte Antriebsgeschwindigkeit ω_em noch mit einem zweiten Integrationsglied 24 verarbeitet, welches daraus in an sich bekannter Weise die elektrische Antriebs-Lage beziehungsweise Winkellage berechnet und über die zweite Nachführregler-Ausgangsschnittstelle 25 ausgibt. Wie bereits oben angesprochen, dient die elektrische Antriebslage ϕ_em, ausgegeben über die zweite Nachführregler-Ausgangsschnittstelle, zur Steuerung bzw. Kontrolle der beiden α,β/d,q bzw. d,q/α,β-Transformationseinheiten 4, 7. Der erfindungsgemäße Nachführregler zeichnet sich bereits allein durch die vereinfachte I-Struktur mit zwei mittelbar aufeinander folgenden Integriergliedern 22, 24 aus.
• In Figur 2 ist ein gegenüber Figur 1 modifiziertes Steuerungs- bzw. Antriebsregelungssystem dargestellt. Die Modifikationen manifestieren sich vor allem in den mit A-D gekennzeichneten Blöcken des Modellierungsmoduls 9 und einer dritten Eingangsschnittstelle 28 des Nachführreglers 6.
• Gemäß Figur 2 sind im Vergleich zur Modellierungsanordnung nach Figur 1 die dortigen Induktivitäts-Differenzierglieder sL_d, sLq ersetzt durch Induktivitätsproportionalglieder A, D mit der Längs- bzw. Querinduktivität L_d, Lq als jeweiliger Verstärkungsfaktor. Dem Induktivitätsproportionalglied A kann noch in Reihenschaltung ein weiteres Proportionalglied entsprechend dem oben im Zusammenhang mit dem Nachführ-Regler 6 genannten Proportionalglied 20 (interpretierbar als "Lageregulierungsglied") vor- oder nachgeschaltet sein. Dem Ausgang des für die Längsvektorkomponente zuständigen Induktivitäts-Proportionalgliedes A ist ein Multiplizierglied B nachgeordnet, dessen zweiter Eingang mit dem Ausgang des bereits genannten Signumsglieds 15 verbunden ist, wodurch die Richtung der Läuferdrehung oder -Linearbewegung mit einbezogen wird. Der Ausgang des Multipliziergliedes A ist auf den Plus-Eingang eines Induktivitäts-Summiergliedes 26 geführt, dessen zweiter Eingang, verknüpft mit negativem Vorzeichen, mit dem Ausgang des für die Querstromkomponente zuständigen Induktivitäts-Proportionalgliedes D verbunden ist. Der sich am Ausgang des Induktivitäts-Summiergliedes 26 ergebende Differenzwert wird noch mit einem zugeordneten Proportionalglied C gewichtet, das ausgangsseitig mit der dritten Ausgangsschnittstelle 27 für die Induktivitätsspannungsabweichung Δu_L verbunden und entsprechend der maschinenspezifischen EMK-Konstante K_E und der Zeitkonstante T_ω dimensioniert ist.
• Gemäß Figur 2 wird der an der dritten Ausgangsschnittstelle 27 bzw. am Ausgang des Proportionalgliedes C ausgegebene Wert für die Induktivitäts-Spannungsabweichung Δu_L der dritten Eingangsschnittstelle 28 des Nachführreglers 6 eingegeben. Intern wird die Spannungsabweichung Δu_L im Nachführ-Regler einem zweiten Nachführ-Summierglied 29 mit positivem Vorzeichen zugeführt. Dem zweiten Eingang des zweiten Nachführ-Summierglieds 29 ist der Ausgang des ersten Integrationsglieds 22 ebenfalls mit positivem Vorzeichen zugeordnet. Der Ausgang des zweiten Nachführ-Summierglieds 29 steht direkt mit der ersten Nachführregler-Ausgangsschnittstelle 23 zur Rückkopplung der ermittelten Antriebs-Geschwindigkeit ω_em sowie mit dem Eingang des zweiten Integrationsgliedes 24 zur Ermittlung und Ausgabe der Antriebslage ϕ_em an die zweite und dritte Koordinaten-Transformationseinheit 4, 7 in Verbindung.
• Den beiden Ausführungsbeispielen gemäß Figuren 1 und 2 ist gemeinsam, dass die Lage- und Geschwindigkeitsermittlung "sensorisch" allein über Messungen der Statorströme I₁, I₂ erfolgt.
Bezugszeichenliste

1

Stator

2

Umrichter

3

3-zu-2 Phasen-Transformationseinheit

4

zweite Koordinaten-Transformationseinheit

i_α, i_β

Stromkomponenten im statorbezogenen α, β-Koordinatensystem

i_dsoll, i_qsoll

Längs- bzw. Querstromsollwert

I_d, I_q

Längs- und Querstromregler

5

Geschwindigkeitsregler

6

Nachführregler

ω_soll

Drehzahlsollwert

ω_em

ermittelte elektrische Drehzahl

ϕ_em

ermittelte elektrische Winkellage

7

dritter Koordinaten-Transformationseinheit

u_d, u_q

Längs- bzw. Querspannungsvorgaben

u_α, u_β

Spannungsvorgabe im α, β-Koordinatensystem (statorbezogen)

8

2-zu-3 Phasen-Transformationseinheit

u₁, u₂, u₃

Spannungsvorgabe für drei Phasen

9

Motor-Modellierungsmodul

10

Drehzahl-Eingangsschnittstellen

11

Strom-Eingangsschnittstellen

12

Spannungs-Eingangsschnittstelle

13, 14

erste und zweite Ausgangsschnittstelle für intern berechnete Spannungsabweichungs-Vektorkomponenten

K_E

EMK-Konstante

15

Signumsglied

M_d, M_q

Multiplizierglieder

S_d, S_q

Spannungssummierglieder

VS_d, VS_q

Vorsummierglieder

r

Proportionalglied für Motorwiderstand

sL_d, sL_q

Längs-, Querstrom-Differenzierglied

SM_d

Vorzeichen-Multiplizierglied

Δu_d

Längsvektorkomponente

Δu_q

Quervektorkomponente

16

EMK-Proportionalglied

17

EMK-Summierglied

18, 19

Eingangsschnittstellen für Längs- und Querspannungsabweichung

20

Proportionalglied

21

erstes Nachführ-Summierglied

22

erstes Integrationsglied

23

erste Nachführregler-Ausgangsschnittstelle

24

zweites Integrationsglied

25

zweite Nachführregler-Ausgangsschnittstelle

A,D

Induktivitäts-Proportionalglieder

B

Multiplizierglied

26

Induktivitäts-Summierglied

C

Proportionalglied

27

dritte Ausgangsschnittstelle

28

dritte Eingangsschnittstelle

29

zweites Nachführ-Summierglied

Claims (18)

1. Verfahren zur Ermittlung der elektrischen Antriebs-Geschwindigkeit (ω_em) und -Lage (ϕ_em) eines Permanentmagnet-Läufers einer elektrischen bürstenlosen Linear- oder Rotations-Maschine insbesondere für einen Antriebsregelkreis, unter Verwendung mehrphasiger Strommessungen an der Maschine, deren Messwerte (i_i,i₂) in Abhängigkeit von der ermittelten Lage (ϕ_em) in ein läuferbezogenes d,q-Koordinatensystem zu einer Längsstrom-Vektorkomponente (i_d) und einer Querstrom-Vektorkomponente (iq) transformiert werden, und die Längs- und Quervektorkomponenten vom Strom (i_d,i_q) und einer vorgegebenen Spannung (u_d,u_q) zusammen mit der ermittelten Geschwindigkeit (ω_em) als Eingangsvariable einem mathematischen Maschinenmodell (9) zugeführt werden, und das Maschinenmodell (9) eine erste Ausgangsvariable (Δu_d) und eine zweite Ausgangsvariable (Δu_q) generiert, wobei die erste Ausgangsvariable (Δu_d) im d,q-Koordinatensystem der d- beziehungsweise Längsvektorkomponente sowie einem Lageermittlungsfehler und die zweite Ausgangsvariable (Δu_q) im d,q-Koordinatensystem der q- beziehungsweise Quervektorkomponente sowie einem Geschwindigkeitsermittlungsfehler entsprechen, und die beiden Ausgangsvariablen (Δu_d, Δu_q) einem Nachführregler (6) zur Ermittlung und Ausgabe der Lage (ϕ_em) und/oder Geschwindigkeit (ω_em) zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Maschinenmodell eine dritte Ausgangsvariable (Δu_L) berechnet wird, indem

   a) die Längs- und die Quervektorkomponenten vom Strom(i_d,i_q) mit einer Längs- beziehungsweise Querinduktivität (L_d,L_q) der Maschine jeweils gewichtet werden,

   b) und die dritte Ausgangsvariable (Δu_L) aus der Differenz der beiden Wichtungsergebnisse gebildet wird,

   wobei die dritte Ausgangsvariable (Δu_L) dem Nachführregler (6) zur Verarbeitung für die Ermittlung der Lage (ϕ_em) und Geschwindigkeit (ω_em) zugeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mit der Längsinduktivität (L_d) gewichtete Strom-Längskomponente (i_d) mit dem Vorzeichen beziehungsweise der Richtung der ermittelten Geschwindigkeit (ω_em) beeinflusst wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Maschinenmodell (9) die aus den beiden Wichtungsergebnissen gebildete Differenz von einer maschinenspezifischen EMK-Konstante (K_E) und/oder von einer Zeitkonstante (T_ω) beeinflusst wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Maschinenmodell (9) die Differenz durch die EMK-Konstante (K_E) und/oder die Zeitkonstante (T_ω) dividiert wird, und im Nachführregler (6) die selbe EMK-Konstante (K_E) und/oder die selbe Zeitkonstante (T_ω) als Parameter für die Integration einer Differenz verwendet werden, die aus dem gegebenenfalls proportional (k_p) verstärkten Lageermittlungsfehler (Δu_d) und des Geschwindigkeitsermittlungsfehlers (Δu_q) gebildet wird.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Nachführregler (6) die diesem zugeführte dritte Ausgangsvariable (Δu_L) mit dem Ergebnis einer Integration (22) einer Differenz (21) summiert oder sonst verknüpft wird, welche aus dem gegebenenfalls proportional (k_p) verstärkten Lageermittlungsfehler (Δu_d) und des Geschwindigkeitsermittlungsfehlers (Δu_q) gebildet wird, und das Verknüpfungsergebnis als ermittelte Geschwindigkeit (ω_em) verwendet und/oder ausgegeben wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz (21) im Nachführregler (6) gebildet und/oder einer Integration (22) ohne Proportionalanteil unterworfen wird.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Maschinenmodell (9) die Strom-Längsvektorkomponente (i_d) mit einem Proportionalfaktor (kp) gewichtet wird, der im Nachführregler (6) zur Regulierung des Lageermittlungsfehler (Δu_d) verwendet wird.
8. Einrichtung zur Ermittlung der elektrischen Antriebs-Lage (ϕ_em) und -Geschwindigkeit (ω_em) eines Permanentmagnet-Läufers einer elektrischen bürstenlosen Linear- oder Rotations-Maschine, insbesondere für einen Antriebsregelkreis, geeignet zur Durchführung des Ermittlungs-Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit folgenden Funktionskomponenten:

   a) mit einem schaltungs- und/oder programmtechnisch realisierten Maschinen-Modellierungsmodul (9), das aufweist:

   aa) Eingangs-Schnittstellen (10,11,12) für in ein läuferbezogenes d,q-Koordinatensystem transformierte Maschinen-Längs- und - Quervektorkomponenten (i_d,i_q;u_d,u_q) vom Stator-Strom (i₁,i₂) und

   einer vorgegebenen Spannung sowie für die ermittelte Geschwindigkeit (ω_em),

   ab) und wenigstens zwei Ausgangs-Schnittstellen (13,14) für in das d,q-Koordinatensystem transformierte Vektorkomponenten (Δu_d, Δu_q) einer intern berechneten Spannungsabweichung,

   b) mit einem schaltungs- und/oder programmtechnisch zur Ausgabe der Lage und/oder Geschwindigkeit realisierten Nachführregler (6), der verbunden ist:

   ba) eingangsseitig mit den wenigstens beiden Ausgangschnittstellen (13,14) des Modellierungsmoduls (9)

   bb) und ausgangsseitig mit der Geschwindigkeits-Eingangs-Schnittstelle (10) des Modellierungsmoduls (9),

   dadurch gekennzeichnet, dass
   das Maschinen-Modellierungsmodul (9) wenigstens noch eine dritte Ausgangsschnittstelle (27) für eine Induktivitäts-Spannungsabweichung (Δu_L) aufweist und dazu ausgebildet ist, mittels Proportionalglieder (A,D) die Eingangswerte für die Strom-Längs- und Quervektorkomponenten (i_d,i_q) mit Festwerten für eine Längs- beziehungsweise Querinduktivität (L_d,L_q) des Stators (1) oder der Maschine zu bewerten, mittels eines Induktivitäts-Summierglieds (26) die Differenz aus den induktiv bewerteten Eingangswerten zu bilden und diese über die dritte Ausgangsschnittstelle (27) auszugeben, mit der der Nachführregler (6) eingangsseitig zum Empfang der Differenz verbunden und dazu ausgebildet ist, die Differenz zur Ermittlung der Geschwindigkeit (ω_em) zu verarbeiten und letztere an die Geschwindigkeits-Eingangs-Schnittstelle (10) des Modellierungsmoduls (9) auszugeben.
9. Ermittlungseinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Maschinenmodell (9) die Eingangsschnittstelle (11) für die Strom-Längsvektorkomponente (i_d) einem Proportionalglied (A) mit einer Proportionalverstärkung (kp) zugeführt ist, und im Nachführregler (6) ein Proportionalglied (20) mit der selben oder ähnlichen Proportionalverstärkung (k_p) angeordnet ist zur Gewichtung des Lageermittlungsfehlers (Δu_d).
10. Ermittlungseinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Maschinenmodell das Proportionalglied mit der Proportionalverstärkung (kp) in Reihenschaltung mit einem entsprechend dem Längsinduktivitäts-Festwert (L_d) dimensionierten Induktivitäts-Proportionalglied (A) angeordnet ist.
11. Ermittlungseinrichtung nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des Induktivitäts-Summierglieds (26) mit der dritten Ausgangsschnittstelle (27) über ein Proportionalglied (C) verbunden ist, das entsprechend einer EMK-Konstante (K_E) und/oder einer Zeitkonstante (T_ω) dimensioniert ist, und im Nachführregler (6) zur dortigen Verarbeitung einer gegebenenfalls gewichteten oder sonst bearbeiteten Kombination der d,q-Vektorkomponenten (Δu_d, Δu_q) der vom vorgeordneten Modellierungsmodul (9) zugeführten Spannungsabweichung ein erstes Integrationsglied (22) angeordnet ist, das entsprechend der selben oder ähnlichen EMK-Konstante (K_E) und/oder Zeitkonstante (T_ω) eingestellt ist.
12. Maschinen-Modellierungsmodul für eine elektrische bürstenlosen Linear- oder Rotations-Maschine mit Permanentmagnet-Läufer, geeignet zum Einsatz in der Ermittlungseinrichtung nach Anspruch 8 oder 9, mit

    a) Eingangs-Schnittstellen (11) für in ein läuferbezogenes d,q-Koordinatensystem transformierte Maschinen-Längs- und - Quervektorkomponenten (i_d,i_q u_d,u_q;) vom Strom und einer vorgegebenen Spannung sowie für eine extern ermittelte Maschinen-Geschwindigkeit (ω_em),

    b) und mit mindestens zwei Ausgangs-Schnittstellen (13,14) für in das d,q-Koordinatensystem transformierte Längs- und Quervektorkomponenten (Δu_d, Δu_q) einer intern berechneten Spannungsabweichung,

    c) und mit mehreren Proportionalgliedern (r,A,D) zur Gewichtung der Strom-Vektorkomponenten (id,iq) mit einem ohmschen Stator- oder Maschinenwiderstand (r) und einer oder mehreren Stator- oder Maschineninduktivitäten (L_d,L_q),
    gekennzeichnet durch
    wenigstens noch eine dritte Ausgangsschnittstelle (27) für eine Induktivitäts-Spannungsabweichung (Δu_L), zu deren Erzeugung ein Längs- und ein Querinduktivitäts-Proportionalglied (A,D) mit Verstärkungen entsprechend einer Längs- beziehungsweise Querinduktivität (L_d,L_q) angeordnet und eingangseitig mit den Eingangs-Schnittstellen (11) für die Strom-Längs- und Quervektorkomponenten (i_d,i_q) verbunden sind, und die beiden Proportionalglied-Ausgänge mit den Eingängen eines Induktivitäts-Summierglieds (26) direkt oder indirekt gekoppelt sind, und der Ausgang des Induktivitäts-Summierglieds (26) unmittelbar oder mittelbar mit der dritten Ausgangsschnittstelle ( 27) gekoppelt ist.
13. Maschinen-Modellierungsmodul nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch ein Vorzeichen- beziehungsweise Signumsglied (15), das an seinem Eingang mit der Eingangs-Schnittstelle (10) für die extern ermittelte Maschinen-Geschwindigkeit (ω_em) verbunden und ausgangsseitig über ein Multiplizierglied (B) mit dem Ausgang eines Proportionalgliedes (A,D) verknüpft ist, das die Strom-Längs- oder Quervektorkomponente (i_d, i_q) mit der Längs- oder Querinduktivität (L_d,L_q) gewichtet.
14. Maschinen-Modellierungsmodul nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des Induktivitäts-Summierglieds (26) über ein Proportionalglied (C), dessen Proportionalverstärkung über Festwerte für eine maschinenspezifische EMK-Konstante (K_E) und/oder Zeitkonstante (T_ω) bestimmt ist, der dritten Ausgangsschnittstelle (27) zugeführt ist.
15. Nachführregler (6) zur Durchführung des Verfahrens oder zum Einsatz in der Ermittlungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit folgenden Merkmalen:

    a) mit wenigstens zwei Eingangs-Schnittstellen (18,19) für in das d,q-Koordinatensystem transformierte Längs- und Quervektorkomponenten (Δu_d, Δu_q) einer extern berechneten und zugeführten Spannungsabweichung,

    b) mit mindestens einer Ausgangsschnittstelle (23) für eine intern ermittelte Antriebs-Geschwindigkeit (ω_em),

    c) mit einem Proportionalglied (20,kp), dessen Eingang mit der Eingangsschnittstelle (18) für die Längsvektorkomponente (Δu_d) der extern berechneten Spannungsabweichung beziehungsweise Lageermittlungsfehler (Δu) verbunden ist,

    d) mit einem ersten Nachführ-Summierglied (21), dessen erster Eingang mit dem Ausgang des Proportionalglieds (20,k_p), und dessen zweiter Eingang über die zweite Eingangsschnittstelle (19) mit der Quervektorkomponente (Δu_q) der Spannungsabweichung beziehungsweise des Geschwindigkeitsermittlungsfehlers verbunden ist,
    gekennzeichnet durch
    wenigstens noch eine dritte Eingangsschnittstelle (28) für eine von extern zugeführte Induktivitäts-Spannungsabweichung (Δu_L), wobei die dritte Eingangsschnittstelle (28) mit dem ersten Eingang eines Verknüpfungsglieds verbunden ist, dessen zweiter Eingang den Ausgang des ersten Nachführ-Summierglieds (21) mittel- oder unmittelbar erfasst, und dessen Ausgang über die mindestens eine Ausgangsschnittstelle (23) für die Antriebs-Geschwindigkeit (ω_em) abgreifbar ist.
16. Nachführregler nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Verknüpfungsglied als dem ersten Nachführ-Summierglied (21) mittel- oder unmittelbar nachgeordnetes, zweites Nachführ-Summierglied (29) ausgebildet ist.
17. Nachführregler nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten Nachführ-Summierglied (21) und dem Verknüpfungs- oder zweiten Nachführ-Summierglied (29) einzig ein Integrationsglied (22) zwischengeordnet ist.
18. Nachführregler nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Integrationsglied (22) ohne Proportionalanteil und/oder auf der Basis der EMK-Konstante (K_E) und/oder Zeitkonstante (T_ω) dimensioniert ist.

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